牡丹高温胁迫研究进展

林邦语 李之俊 高 燕 李天耀 夏轩泽

（1浙江农林大学暨阳学院，浙江诸暨 311800；2诸暨市农业技术推广中心，浙江诸暨 311800）

牡丹（Paeonia suffruticosaAndr.）为芍药科芍药属落叶灌木，是中国的传统名花，为中国十大名花之一，有“花中之王”的美誉[1]。牡丹性喜温暖、干燥且凉爽的气候。近年来，我国南方夏季常出现40 ℃左右的连续高温天气，导致江南牡丹品种群逐渐缩小，因而筛选适应高温胁迫的牡丹品种迫在眉睫。高温及相关交叉胁迫是造成牡丹生长不良甚至死亡的重要原因。通过研究牡丹高温热害的发生规律，揭示牡丹避热、抗热的生理机制，寻找高效的抗热避热技术措施，对于改善牡丹栽培环境、保障牡丹健壮生长、实现选种引种等具有重要意义。

植物的抗逆性有避逆性、耐逆性2种表现，多数植物能够通过耐逆性来适应逆境胁迫，并且可分为外部形态结构上的适应和内部生理代谢上的调节[2]，主要通过活性氧清除、逆境蛋白合成、渗透调节物质及激素含量的提高等方式，来适应多种胁迫环境[3]。外源添加物可以通过催化植物体内的活性酶类物质联合作用，起到调节植物的生理活动的作用，从而提高植物抗性[4]。因此，外源添加物质已被广泛应用于经济作物、观赏植物抗逆性研究的多个方面[5]。

当前，已有诸多关于高温胁迫对牡丹影响的研究，但仍缺乏系统性的对比、整理、分析。为此，本文从牡丹的生理生化特性方面概述了高温胁迫对牡丹的伤害及其发生机制，简述了近几年来植物外源添加物质在牡丹抗热性中取得的研究成果，介绍了当前牡丹耐热品种筛选与评价的研究进展，为牡丹引种和育种栽培提供理论参考。

1 高温胁迫对牡丹植株形态的影响

WANG 等[6]研究发现，高温对牡丹光合作用的影响主要体现在高温会引起叶片收缩程度增加、气孔长度和宽度减小以及气孔关闭等。高温时牡丹叶片表现出明显热害症状，叶缘褐化明显，叶片卷曲皱缩，叶面积狭窄，植株趋于枯萎[7]。LI 等[8]通过对比高温下3个牡丹品种的叶片形态，发现3个牡丹品种的叶片厚度随高温胁迫时间的延长而增加，以‘胡红’增加最多且最耐热。说明不同牡丹品种的叶片厚度可作为衡量牡丹耐热性的指标之一，即叶片厚度越厚，水分蒸腾越慢，失水越少，以此来减弱高温对牡丹的伤害。

2 高温胁迫对牡丹生理生化特性的影响

2.1 对生物膜透性的影响

植物的耐热性能够用高温下细胞膜的稳定性来反映[9]，在高温下细胞膜的流动性、通透性得到提升，蛋白质功能发生变性[10]。丙二醛（MDA）含量是常用的膜脂过氧化指标，细胞中MDA含量的升高表明细胞膜的完整性受到伤害。骞光耀等[11]通过探究3个牡丹品种在高温胁迫下的生理响应发现，‘凤丹白’‘洛阳红’‘映金红’叶片中MDA含量和细胞膜相对透性呈上升的趋势，与骆俊等[12]、姚奕平[13]的研究成果一致。张旻桓[14]研究发现，‘香丹’MDA含量随胁迫的加深表现出先升后降的趋势[14]。在短期且适度的高温环境下，该条件不会对牡丹生长造成不良影响[15]。持续的高温导致牡丹叶片脂膜过氧化程度和膜的透性增加，使得细胞丧失其细胞膜系统的半透性，引起代谢系统和信号传递系统发生紊乱，电解质渗透率增加，且随着高温胁迫强度的上升而继续增加[6，12]。另外，高温还会致使叶绿体、线粒体等细胞器产生活性氧（ROS），从而引起氧化应激反应，形成大量ROS，不断积累内源、外源活性氧[16]。任增斌等[17]通过外施油菜素内脂来提高牡丹在高温下的抵抗能力，有效缓解高温对牡丹光合作用的抑制，提高叶片净光合速率，增强光合能力，有效降低高温对抗氧化系统和细胞膜结构的伤害，提高牡丹耐热性，其中以1.0 mg/L浓度的油菜素内脂处理效果最好。李思龙等[18]、郭绍霞等[19]通过接种AM真菌来减弱高温对细胞膜的伤害，缓解叶绿素的分解，调节牡丹的吸水和保水能力，降低植株蒸腾作用，防止水分过度蒸发，其效果随着时间的延长越显著，从而提高了牡丹的抗热性。

2.2 对光合作用的影响

植物体生长发育、生态适应情况在很大程度上受光合作用的影响，叶片光合参数能够反映出植物光合效率状况[20]。高温是阻碍植物生长发育的胁迫因子之一[21]，植物在逆境胁迫下最为敏感的器官是叶片[22]，最敏感的生理过程则主要体现在光合作用方面，并且植物对环境胁迫响应的共同特征是叶片净光合速率的降低[23]。高温胁迫降低了牡丹体内叶绿素含量，叶绿素类囊体膜漏失，叶绿体结构被破坏，活力下降，使植物叶绿素的合成发生障碍[10]，并且引起牡丹叶片体内净光合速率Pn、蒸腾速率Tr、气孔导度Gs、呼吸速率RR降低，胞间二氧化碳浓度Ci升高[24]。前人研究发现，引起植物Pn下降的主要原因分为气孔限制性因素和非气孔限制性因素，引起植物光合速率降低的自身因素包括气孔的部分关闭和叶肉细胞光合活性下降，前者使Ci降低，而后者使Ci增高[25]，牡丹在高温胁迫中Pn的下降主要是受非气孔限制性因素决定[26]。高温胁迫显著限制牡丹光合曲线参数Pnmax，大多数牡丹品种的表观量子效率（AQE）在胁迫初期显著下降，在高温胁迫初期，牡丹叶片光饱和点（LSP）显著降低并伴随着光补偿点（LCP）显著升高，表明牡丹通过缩小光适应范围以缓解高温胁迫造成的损害[8]。叶绿素是光合的探针，光系统对光能吸收、传递、耗能等状况能够通过叶绿素荧光基本参数的变化表现出来[27]。植物PS Ⅱ反应中心经高温胁迫后会暂时失活，其吸收的光能以热耗散和叶绿素荧光耗散的比例将增加，从而降低吸收光能的转换效率，而此时的PS Ⅱ反应中心只吸收光能却不传递、转化光能，以此来缓解高温胁迫对反应中心带来的伤害，这是许多植物本能的防御机制[28]，并且在高温干旱胁迫下抗性越弱的牡丹品种PS Ⅱ反应中心叶绿素荧光能量分配调节机制比不上抗性强的品种[29]。Ji 等[26]、刘春英等[30]研究发现，高温均引起牡丹叶片Fv/Fm、φEo、ΨO、PIabs等叶绿素荧光参数的变化，导致牡丹叶片光合速率和光化学特性下降，PS Ⅱ反应中心部分失活，PS Ⅱ反应中心供体侧和受体侧以及放氧复合体失活，抑制了光合碳代谢的电子供应和光合作用的进行[26，30]。高温强光胁迫对牡丹的伤害亦是如此，但高温胁迫与强光胁迫对牡丹PS Ⅱ反应中心影响不同，高温胁迫主要体现在抑制PS Ⅱ供体侧和受体侧方面，而强光胁迫对PS Ⅱ反应中心有着显著影响，PS Ⅱ受体侧与供体侧抑制则略显轻微，高温强光交叉胁迫较单一胁迫而言，对光系统光抑制的程度加重[20]。盛瑞艳等[31]在光温交叉胁迫研究的过程中发现，伴随着PS Ⅱ的最大光化学效率的下降，在PS Ⅱ供体侧和受体侧损伤方面，交叉胁迫较单一高温胁迫轻。陈大印等[32]研究表明，光抑制主要是由光的增强所引起的，温度的变化起促进作用，并且高温强光胁迫引起叶片光化学效率降低，植物产生的激发能显著减少，PS Ⅰ和PS Ⅱ激发能分配严重失衡，过多激发能被分配到PS II，造成PS Ⅱ激发压升高，使PS Ⅱ的伤害程度加重[32]。

2.3 高温胁迫对相关酶活性的影响

在反映高温胁迫对牡丹生理生化影响的研究中，主要采用游离脯氨酸Pro、叶绿素Chl、丙二醛MDA、可溶性蛋白SP、超氧化物歧化酶SOD 等生理生化指标，其次是采用过氧化氢酶CAT 活性、H2O2含量、可溶性糖SS 含量、过氧化物酶POD 活性等生理生化参数[14]。徐艳[33]通过邓肯氏新复级差检验法分析，发现在湿热胁迫下牡丹叶片的电导率、MDA、脯氨酸、蛋白质、相对含水量、SOD 和CAT 活性的变化等指标具有较强的规律性，可作为牡丹抗湿热能力强弱的鉴别指标[33]。植物在高温胁迫下，Pro合成酶自身含量反馈受到抑制，Pro 积累量大，渗透调节能力增强，达到去除ROS、减轻膜氧化损伤的功能[34]。骆俊等[12]分别用40、35 和30 ℃处理牡丹，发现高温引起牡丹Pro含量升高，且牡丹体内Pro含量随温度升高而上升，胁迫结果与骞光耀、徐艳等一致[11，13，14，35]。高温引起牡丹体内SS 下降，这可能由于温度升高，加快了淀粉向可溶性糖分解的速度，与此同时呼吸作用增强，消耗掉储存在细胞中的糖，二者同时发挥作用，导致了不同种类中可溶性糖含量变化存在差异[11]。SOD 是植物氧代谢的关键酶，能够防止超氧阴离子自由基损伤细胞，减轻膜脂质过氧化[11]；POD 可以去除H2O2和其他氧化物，并降低氧化能力，促进更强的羟自由基生成，减少膜系统损伤，是植物抗氧化胁迫的常用指标之一[35]。徐艳等[35]比较分析了高温下5 种牡丹品种的生理变化，结果表明，不同牡丹品种叶片H2O2含量、MDA含量、SS含量、CAT活性、Pro含量、POD活性总体均呈上升趋势，SP含量、叶绿素含量呈下降趋势，SOD活性降低或先升高后降低，趋势与其他学者一致[11，14]。连续的高温使得牡丹植株的损伤程度不断加重[35]，牡丹叶片通过增大电导率、积累游离脯氨酸含量、提高体内过氧化物酶活性来维持牡丹正常生长并形成一定的抗热性[12]。张旻桓[14]、吴莎[36-37]、肖瑞雪[38]等通过喷施ABA、SA 和CaCl2等物质来缓解高温对牡丹的危害，分别以40 mg/L、100.0 µmoL/L 和40.0 mmoL/L为最佳施用浓度，结果表明，施用ABA、SA、CaCl2能够增加牡丹幼苗叶片中叶绿素的含量，减少细胞质膜透性，降低膜脂的过氧化作用，增强抗氧化酶的活性，增加渗透调节物质的含量，从而增强牡丹幼苗的耐热性，减轻高温伤害，提高幼苗干物质累积量，适当施用有利于生产上品质和产量的提高。

3 高温胁迫下牡丹耐热机理研究

为深入研究高温胁迫下观赏植物品质的变化，采用现代分子生物学和转录组学方法发掘关键基因，解析关键基因调节耐热分子机制，是选育耐热优良品种的重要途径[39]。热激蛋白是高温胁迫诱导的一类主要功能蛋白，包括HSP60、HSP70、HSP90、HSP100 和小分子量热激蛋白5 大类[40]。郝力慧[16]‘羽红’为试材，用转录组测序的结果证明，PsHSP基因能在短时间内对高温胁迫做出快速应答，参与牡丹耐热调控，HSPs可能直接参与到高温胁迫下牡丹的分子调控过程。MA 等[41]研究发现，PsHSP17.8、PsHSP21和PsHSP27.43个sHSPs的功能与牡丹的热胁迫有关，能够通过提高SOD 活性和脯氨酸含量来提高牡丹耐热性。朱绍华[7]以‘羽红’为研究对象，发现差异蛋白在含有丙酮酸代谢和碳代谢的代谢通路上富集程度最高，而在内质网蛋白质合成及光合作用通路上次之，还发现肽基脯氨酰基异构酶、APX、HSPs、FBA、CaM、RubisCo、乙酰辅酶A 羧化酶和GS 可能是江南牡丹在高温胁迫响应过程中起重要作用的目的蛋白。姚奕平[13]通过开展权重共表达网络分析WGCNA 发现，在高温下，PoPSAO、PoLH⁃CA3可能与牡丹光合作用机制的调控过程有关；PoWRY53可能参与到牡丹抗氧化酶活性的负调控机制中；PoHsfB2b可能在调控牡丹高温胁迫能力的过程中发挥重要作用。此外，王晓晓[42]基于RNASeq 技术建立了高温胁迫下‘凤丹’的响应转录组数据库，筛选出237 个与HSP、光合作用、氧化应激以及ABA信号转导相关的候选基因，发现MWCNTs激活ASA-GSH 循环，减轻高温对‘凤丹’所带来的伤害，抗氧化能力增强显著减少ROS累积，从而保持了细胞膜稳定和叶肉细胞完整，并且增强了光合作用，最终汇集成‘凤丹’高温耐受性的提高。

4 不同品种耐热性评价

有研究者已通过不同的分析手段对牡丹耐热性进行分析比较，例如，骞光耀等[11]通过SP、SS、Pro、MDA 含量以及SOD 活性比较分析了洛阳红、凤丹白、映金红3个品种的耐热性，得出凤丹白是三者中耐热性最好的品种。徐艳等[35]在对不同品种的牡丹进行耐热性综合评价中采取隶属函数值法，隶属函数值法不仅可以消除个别指标所造成的片面性，而且D 值是无量纲的纯数，这提高了品种之间耐热性差异之间的可比性，并且得出，牡丹的耐热能力能够被游离脯氨酸含量、电导率、丙二醛含量、过氧化氢酶活性更好地体现。张旻桓[14]用AHP 法建立了湖南牡丹品种生态适应性综合评价体系，提出热害指数HII、相对含水量REC、Chl 含量、SS 含量4 个指标能够作为评价外源物质诱导牡丹耐热性的指标，能够显著反映牡丹品种耐热性。通过检测38 种牡丹品种在高温胁迫下叶片的各项生理指标，李苗等[43]运用主成分和隶属函数分析构建牡丹耐热性的综合鉴定和评价体系，筛选耐热性强的牡丹品种资源。依据前人研究结果，耐热性越强的牡丹品种，在叶绿素降解、MDA 含量降低、SOD 活性保持上更具优势[11]。刘俊娟[29]通过牡丹高温干旱胁迫试验发现，牡丹叶片PSⅡ系统在胁迫下受到光化学伤害，并且系统通过提高热耗散来提高其自身保护机制，电子传递能力下降，同时，抗性越弱的品种的PSⅡ反应中心叶绿素荧光能量分配调节机制比不上抗性强的品种。牡丹品种‘豆绿’‘冠世墨玉’‘迎日红’‘金阁’‘首案红’‘肉芙蓉’‘藏娇’和‘凤丹白’为较耐热品种[11，35]。

5 展望

当前，关于牡丹耐热性的研究已取得了较大进展。牡丹在高温胁迫方面的研究主要集中在生理生化特性和外源物质对其耐热性的影响方面，并且已有部分研究开始探索高温胁迫下牡丹相关蛋白和耐热基因的调控机制，为筛选和培育耐热牡丹品种，实现牡丹种质资源创新提供理论支撑。关于高温对牡丹生理生化的危害正逐步清晰，外源物质对提高牡丹抗热性的机理亦趋于明了，但对牡丹的耐热机制研究仍不够深入，目前仅探明部分调控机制，对于其他可能参与牡丹热激反应的影响因子仍有待进一步考究。

环境是各因素综合作用的结果，在研究高温胁迫的同时，还应考虑到其他环境因子对胁迫的影响以及交叉胁迫对牡丹生长的影响，交叉胁迫不是单一胁迫的简单叠加，对牡丹的影响伤害更为严重。当前，牡丹交叉胁迫研究仅在高温强光胁迫对牡丹的光合作用的影响方面较为系统，仍需从其他角度深入研究交叉逆境胁迫对牡丹生长的影响，从牡丹自身生物学特性出发，为未来牡丹种质资源在引种驯化与栽培利用方面提供进一步的理论依据。

如今，运用RNA-Seq 技术已能构建部分牡丹响应高温胁迫的转录组数据库，同时牡丹的多组学研究已成为新兴方向，对各组学的数据进行充分整合分析，从多角度进行全方位、深入的理解，能够全面地了解牡丹的生物系统。当前，对于提升牡丹耐高温性的栽培措施研究仍较少，大量相关文献聚焦在牡丹生理机制层面，鲜有研究将理论成果转化为实际的栽培措施，如林下栽培对牡丹热害缓解方面。因此，今后还应收集、丰富牡丹优良种质资源，开展具有优良性状、特色观赏价值的牡丹品系育种工作，促进牡丹新优品种的引种和扩大栽培，最终实现牡丹花卉业的蓬勃发展。